Gem5

前面我們介紹過作為"功能模擬器"的Spike, 以及作為仿真機的QEMU，今天要講另一個有別於他們的時序模擬器"Gem5"，Gem5與前述兩者不同，很大程度的模擬了硬體的實際架構，包含分支預測、記憶體架構、甚至處理器是有序還是無序都有模擬，且Gem5支援多個指令集架構。特別的架構與指令集是獨立的，也就是是說Gem5裡面的亂序處理器可以同時配合X86, 配合RISC-V等進行模擬，實在可說是功能強大。

Gem5本身是透過C++所撰寫，但整個框架是透過python去建立，因此在許多地方保留了python的方便性，例如要配置Cache大小、分支預測的種類等都是透過python的框架去設定。而與Spike和QEMU不同，Gem5本身保留了不透過OS，直接運行程式的能力，因此在使用上也更為方便，甚至還提供了SystemC的接口 (關於SystemC可以參考這系列文章，是在鐵人賽寫模擬器的前輩寫的)。

美中不足的地方是，由於Gem5模擬的精度較高，因此做為代價無可避免的就是他的速度較慢，而Gem5為此提供了幾種解套，首先Gem5的編譯有分為 fast, opt, debug等三種模式，其中fast最快，但不包含debug flags(可以理解為像Qemu那樣，倒出感興趣的flags的log系統)及debugger功能，而opt則是僅有debug flags，debug mode則是都有包含。

除此之外，gem5本身也提供不同程度的處理器架構供我們模擬，例如我們只在意指令的正確 (類似想要ISA simulator)，我們可以將cpu設定為 nocaching-simple cpu，這樣cpu本身的流水線行為及對快取的讀寫會被抽象化，而如果我們想要精確地了解亂序處理器(Out of order cpu)的原理及流水線行為，則可以設定為O3CPU，此時會真實模擬亂序處理器中的各種行為。

Gem5安裝

Gem5的安裝相當簡單，可以參考官方網站的內容，具體的方式如下

安裝依賴的檔案

sudo apt install build-essential git m4 scons zlib1g zlib1g-dev \
    libprotobuf-dev protobuf-compiler libprotoc-dev libgoogle-perftools-dev \
    python3-dev libboost-all-dev pkg-config

前面有提到，Gem5是透過python去包裝，其建立時的系統也不是常見的makefile而是scons這套基於python的建立系統，因此在安裝的時候可以特別注意一下版本，scons要3以上，而python則是要3.6以上才能順利安裝。

安裝完成後，我們將Gem5 clone下來，並建立執行檔

git clone https://github.com/gem5/gem5
cd gem5
scons build/{RISCV}/gem5.{fast}

建立時間稍長，完成後我們就可以執行先前建立好的helloWorld程式了

/build/RISCV/gem5.fast ./configs/example/se.py -c HelloWorld

就可以順利看到Gem5的歡迎畫面及HelloWorld了。

使用Gem5的小技巧

先前執行HelloWolrd時執行的se.py意思是System Emulation的意思，與之對應的是fs.py(Full System)，如果我們今天只是要簡單的執行一支程式使用se.py即可，在使用Gem5時如果是在gem5.fast後加入--help可以看到gem5本身的option，例如--debug-falgs等輸出debug資訊的選項，又或者是-D可以決定輸出的資料夾位置，而在se.py後輸入--help則能查詢se.py所提供的選項，包含cpu-type，cache-type,分支預測器的種類等。

並且Gem5有一個與他配套的，叫做Konata的分析工具，可以視覺化處理器內流水線的流動，只要在執行的時候輸入--debug-flags=O3PipeView,O3CPUAll，之後就輸出資料夾內所產生的log檔餵給Konata就可以看到每個管線在不同時間點的狀態，非常適合用來檢視自己的效能瓶頸落在哪裡。

碎碎念: 介紹過仿真器，行為模擬器與時序模擬器了，接下來就是要來構思我們自己的模擬器啦~